摘要：设计一套基于TI Stellaris系列芯片的电机控制实验装置，其硬件包括LM3S9B96微控制器、LM3S811微控制器、板上外设电路模块和电机驱动电路模块等。软件包括基本的Keil uVision4操作、直流无刷电机控制、直流电机控制、步进电机控制和串口通信实验。实验结果表明，该装置操作简单、成本较低、控制效果明显、演示方便。
关键词：电机控制；直流无刷电机；步进电机；直流电机
作者简介：邵春莉（1989-），女，湖北随州人，合肥工业大学电气与自动化工程学院硕士研究生；张玉超（1986-），男，河北保定人，合肥工业大学电气与自动化工程学院硕士研究生。（安徽 合肥 230009）
基金项目：本文系“安徽省高等学校省级教学研究项目”（2008JYXM207）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0035-02
自动化专业的本科教学对自动控制尤其是电机控制有较高的要求。Stellaris是Luminary公司（2009年被TI收购）推出的基于实现了革命性突破的ARM® CortexTM-M3（简称CM3）技术之上，业界领先的高可靠性实时微控制器产品系列。该系列是面向需要高级控制处理与连接功能的低成本应用，其中断处理快速准确，代码兼容性非常广泛[1-3]。目前，本科开设的电机实验主要针对电机的机械特性，而缺乏针对电机控制的实验装置。基于TI CM3最新系列的开发板DK-LM3S9B96，虽然功能丰富，但缺乏电机控制实验以及一些基础实验。基于成本和性能的综合考虑，选择TI公司的CM3内核的Stellaris系列处理器的芯片，研制了硬件电路模块，并设计了相应的实验软件，构成了软硬件完整的电机控制实验装置。
一、装置的功能
此实验装置主要可以进行以下几方面实验：
（1）直流无刷（BLDC）电机控制实验。包括BLDC电机的正反转控制、开环调速控制和带转速环的单闭环调速控制。
（2）串口通信实验。包括图形用户界面（GUI）显示和通用异步收发器（UART）通信实验。
（3）步进电机控制实验。包括步进电机的正反转控制、精确转速控制和改善电机转动的平稳性设计。
（4）直流电机控制实验。包括直流电机的正反转控制和基于PWM调制的开环调速控制。
二、硬件组成
此实验装置的硬件部分主要包括以下几个模块：输入输出模块，包括电平信号输入输出、电流反馈值输入、PWM输出、按键输入和发光二极管等；稳压电源模块，输出＋5V和＋12V稳压电源；LM3S9B96微控制器；LM3S811微控制器；串口通信模块，与上位机通过集成的USB连接；BLDC电机驱动模块，通过功率驱动电路和三相桥式逆变电路驱动直流无刷电机，利用霍尔传感器检测转子位置来控制换相，根据电流反馈和转子位置反馈来调节PWM波的占空比控制电机转速；步进电机驱动模块，通过74HC244三态数据缓冲器来保存数据并隔离，利用ULN2003达林顿阵列的功率放大来驱动步进电机；直流电机驱动模块，经过保护电路和半控型H桥式电路驱动直流电机。下面分别详细地介绍其中的部分模块。
1.BLDC电机及其驱动电路
LM3S811微控制器输出三路PWM驱动电压，经过IR2104驱动器选择放大和三相桥式全控驱动电路（PWM波占空比为50%时对应的输出电压为0）[4]，使得在任一时刻，上桥臂和下桥臂均有一个功率管处于导通状态（两功率管不同相），输出的驱动信号驱动BLDC电机转动，通过霍尔传感器反馈转子的位置，根据霍尔脉冲触发中断，并在中断程序中计算转速和完成电子换相，使电机沿一个不变的方向转动，并将转速通过UART传送给上位机显示出转速曲线。对于直流无刷电机的换相，每次换相，都有一个绕组连到控制电源的正极（电流流进绕组），第二个绕组连到负极（电流从中流出），第三个处于失电状态。每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号。本实验选择的霍尔传感器彼此之间的相移为60°，每转过60个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。对于两相导通的星形三相桥式BLDC电机，在一个周期内每个功率晶体管导通120°电角度，每隔60°电角度有两个晶体管切换。
2.串口通信模块
设计了一个图形用户界面，名称为BLDCGUI，用来实现与CM3之间的串口通信。将下位机测量的BLDC电机转速通过串口发送给上位机，并在BLDCGUI界面上显示转速曲线，从而直观地反映BLDC电机的控制效果；同时，可以通过上位机将给定转速和PI参数发送给下位机，下位机将根据接收到的参数进行PI调节，达到方便控制的效果。CM3方面，可以利用UART模块编程实现，将BLDC电机的转速发送给PC机；PC 机方面，可选用MATLAB的GUIDE开发环境来创建图形用户界面，接收CM3发送的BLDC电机转速，并通过M文件编程用曲线显示出来。用一根USB线缆将PC机与CM3连接起来，在电机转动的过程中，将电机转速通过定时中断利用UART定时的从CM3端发送出去，PC机端通过设置好的图形用户界面定时接收电机转速，并显示转速曲线[5，6]。
3.步进电机及其驱动电路
LM3S9B96微控制器通过通用I/O口输出一路电脉冲信号，经过三态数据缓冲器（用于保存数据和隔离），一方面用来点亮与四相输出相对应的发光二极管，另一方面经过达林顿阵列的功率放大来驱动步进电机旋转，按照一定的次序依次输出电脉冲信号，使步进电机沿同一个方向转动。
4.直流电机及其驱动电路
LM3S9B96微控制器通过通用I/O口同时输出两路信号，其中一路为直流电压信号，另一路为PWM电压信号，输出的两路电压信号经过逻辑器件组成的保护电路（防止H桥同侧场效应管同时导通时烧坏器件），经过半控H桥式驱动电路驱动电机[7]。
三、软件设计
针对本科教学对电机控制的要求，设计了几种典型电机的控制实验，并编写了相应的实验程序，包括BLDC电机控制、步进电机控制和直流电机控制。
1.BLDC电机控制
BLDC电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机的结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。在这个实验中，通过按键输入（用于系统功能切换和修改PWM的占空比）和LED显示来提示系统的人机接口；通过GPIO接口来接收按键中断、输出PWM波、处理换相中断和接收发送串口数据；通过定时器来定时发送电机转速和进行PI调节、累加定时计数和消除按键抖动；通过输出PWM来提供驱动电机的信号，可以通过修改PWM占空比来调节电机转速；通过设计PI调节器来实现电机的速度闭环控制（控制原理框图如图1所示），再通过UART向PC机传送转速，输出转速曲线。
为了让学生更好地掌握电机的工作原理，设计了BLDC电机的正反转实验；同时为了让学生掌握基本的电机控制方法，设计了基于PWM调制的开环调速控制实验和基于PI调节的速度闭环控制实验。本实验软件采用模块化编程，设计的总体框图如图2所示。
2.步进电机控制
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在速度、位置等控制领域用步进电机来控制会非常的简单。在这个实验中，通过GPIO端口的相应管脚来输出驱动步进电机的电脉冲信号；通过发光二极管来显示导通相；通过通用定时器来控制换相的时间间隔，从而确定电机的转速。
为了让学生更好的掌握步进电机的工作原理和控制方法，设计了步进电机四相四拍的反转工作模式和四相八拍的正转工作模式，观察电机转动时的抖动情况，并通过设置定时器的给定值使电机的转速维持在一个设定值。
3.直流电机控制
直流电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑的调速、控制电路相对简单等特点[8]。在这个实验中，通过GPIO端口的相应管脚来输出直流电机的驱动信号（为了防止击穿场效应管，电机同一侧的两桥臂不能同时导通）；运用直流斩波技术的原理，通过修改PWM占空比来实现直流电机的调速控制。
本实验的软件部分设计了直流电机的正反转控制和基于PWM调制的开环调速控制，来进一步理解直流电机工作原理和学习基本的电机控制方法。
四、结束语
本文介绍的实验装置，通过研制的硬件电路模块，可轻松地掌握电机控制的基本方法；根据TI官方免费公开提供的基于C语言的Stellaris外设驱动库，通过编写相应的实验程序，可方便地实现电机控制，直观地展示控制效果。并且该实验装置的成本较低，还有进一步开发的空间，在完成本科实验教学要求的基础上，可以开发出更完善的控制系统，如直流电机的闭环控制，直流无刷电机速度环和电流环的双闭环控制等，有利于培养学生的实践性和自主创造性。
参考文献：
[1]Texas Instruments Inc.Stellaris® LM3S9B96 Microcontroller DATA SHEET[Z].July 2009.
[2]Texas Instruments Inc.Stellaris® Peripheral Driver Library USER"S GUIDE[Z]. October 2009.
[3]Texas Instruments Inc.Stellaris® LM3S9B96 Development Kit User"s Manual[Z]. June 2009.
[4]杜鹏英,任国海,江浩.无刷直流电动机PWM调速实验系统[J].微特电机,2007,(6).
[5]王正林,刘明.精通MATLAB7[M].北京:电子工业出版社,2006.
[6]张晓江,黄云志.自动控制系统计算机仿真[M].北京:机械工业出版社,2009.
[7]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[8]顾绳谷.电机及拖动基础(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2007.
（责任编辑：刘丽娜）